啞鈴型鋼管混凝土拱橋抗震性能分析①

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(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院 ,安徽 合肥 230022)

0 引 言

啞鈴型鋼管混凝土系桿拱橋以跨越能力大、造價經(jīng)濟、便于維護(hù)以及對地形地質(zhì)條件的良好適應(yīng)性得到了廣泛應(yīng)用，但是針對啞鈴型鋼管混凝土拱橋的抗震性能，國內(nèi)外的研究較少。在如今地震災(zāi)害頻發(fā)的背景下，開展對啞鈴型鋼管混凝土系桿拱橋抗震性能的研究就顯得。然而像文中這樣的啞鈴型鋼管混凝土拱橋的抗震性能的研究不多。 鑒于啞鈴型鋼管混凝土拱橋自身的特殊性發(fā)展, 對于該結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性和反應(yīng)譜特細(xì)研究, 探討和分析其在地震響應(yīng)下橋梁的穩(wěn)定性, 填補此類橋梁抗震設(shè)計規(guī)范的空白具有重要的理論和應(yīng)用價值。

1 反應(yīng)譜分析

1.1 反應(yīng)譜基本概

反應(yīng)譜分析法是將多自由體系看作多個單自由體系的組合，并計算各單自由度體系的最大地震響應(yīng)(結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)、速度反應(yīng)和變形位移反應(yīng))后再進(jìn)行組合計算多自由度體系結(jié)構(gòu)的最大地震響應(yīng)的方法。

1.2 反應(yīng)譜分析振型組合方

我國橋梁抗震規(guī)范中的模態(tài)組合方法主要采用SRSS法和CQC法。

(1)SRSS法(平方和開方法)

一般用于單一方向的地震作用效應(yīng)(內(nèi)力、位移)；該方法對于頻率分離比較好的平面結(jié)構(gòu)具有很好的精度。

(2)CQC法(完整二次項組合法)

CQC法用于振型密集結(jié)構(gòu)，較好的考慮了頻率接近是的振型相關(guān)性。在振型密集結(jié)構(gòu)計算精度中，CQC法高于SRSS法

2 工程背景

采用單跨118m啞鈴型鋼管混凝土下承式系桿拱橋；橋梁橫斷面布置：0.25m護(hù)欄+1m人行道+7.5m車行道+1m人行道+0.25m護(hù)欄，橋梁總寬10m。

永久荷載：恒載：鋼結(jié)構(gòu)容重78.5kN/m3，鋼筋混凝土容重25～26kN/m3，瀝青混凝土鋪裝24kN/m3?？勺兒奢d：機動車道：公路-Ⅱ級；非機動車道、人群荷載：按規(guī)范規(guī)定取值；地震動峰值加速度為0.05g，特征周期值0.40s，相應(yīng)地震基本烈度為6度，橋梁抗震設(shè)計按提高一度即按7度抗震設(shè)防,橋布置圖如圖1所示。

拱肋采用啞鈴形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，空鋼管在工廠加工成型，分節(jié)段運制施工現(xiàn)場組拼成空鋼管拱肋。之后在上、下鋼管內(nèi)和鋼管腹板間泵送灌注C50微膨脹自密實混凝土，形成鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮鋼管混凝土承壓能力強的特點。拱軸線采用二次拋物線，拱肋計算跨徑118m，拱軸線采用二次拋物線，矢高 23m，矢跨比為1/5。拱肋截面全高2.4m，由上、下兩根Φ1000x16mm的鋼管和中間腹板組成。中間腹板寬0.54m，板厚0.02m。拱肋上下鋼管截面內(nèi)采用間距約1.0mΦ25的HPB300鋼筋加強，在吊桿錨固區(qū)部位鋼筋適當(dāng)加密，加強鋼筋和拱肋鋼管焊接連接強度，滿足拱肋局部受力需要。腹板內(nèi)采用間距約1.0m的角鋼加強，在吊桿錨固區(qū)采用工字鋼加強，角鋼、工字鋼與拱肋焊接連接強度，滿足拱肋局部受力需要。見圖2所示。

圖1 橋布置圖

圖2 啞鈴型鋼管截面

圖3 全橋空間有限元模型

圖4 E1反應(yīng)譜數(shù)據(jù)圖

3 模型結(jié)構(gòu)建立

利用Midas Civil軟件建立啞鈴型鋼管混凝土拱橋的空間有限元模型。拱肋、橫梁、系桿以風(fēng)撐采用梁單元進(jìn)行模擬，吊桿用桁架單元模擬；邊界條件采用固結(jié)模擬。全橋總共劃分為160個單元，其中梁單元118個，桁架單元42個。計算荷載：結(jié)構(gòu)自重按照(JTGD60-2004)采用，二期恒載(110kN/m)包括橋面鋪裝、欄桿、人行道、防撞欄等。

啞鈴型鋼管混凝土拱肋采用，將鋼管混凝土復(fù)合材料等效為一種材料。有限元模型見圖3所示。

(a)拱橋第1振型； (b)拱橋第2振型 (c)拱橋第3振型

4 抗震設(shè)防水平與性能目標(biāo)

根據(jù)該橋工程地質(zhì)勘察報告和設(shè)計要求得知，該橋單跨跨徑為118m，抗震設(shè)防類別為A類，應(yīng)按A類橋梁進(jìn)行設(shè)計，地震設(shè)防烈度為7度(0.1g) ，場地類別屬于II類。為研究該橋在抗震設(shè)防水準(zhǔn)E1條件下的地震響應(yīng)特性，對其進(jìn)行分析。本文采用反應(yīng)譜法對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析時，反應(yīng)譜分析采用我國 ( JTG/T B02-01-2008) 中的動力系數(shù)，相應(yīng)的阻尼比為0.05；該橋E1反應(yīng)譜數(shù)據(jù)圖如圖4所示。

5 結(jié)構(gòu)動力特性分析

在結(jié)構(gòu)動力特性分析中，主要包括自振頻率、周期和振型；主要由前幾階自振頻率、周期和振型起控制作用。采用多重Ritz向量法進(jìn)行求解橋梁自振特性，并計算該橋前10階計算模態(tài)，計算結(jié)果如表1所示，圖5為前6階振型的振動模態(tài)示意圖。

表1 橋梁動力特性計算

根據(jù)表1和圖5可知，該啞鈴型鋼管混凝土拱橋成橋狀態(tài)的振型具有以下特點：

(1)該啞鈴型鋼管混凝土拱橋主要出現(xiàn)了橫向振動、結(jié)構(gòu)整體豎向振動和扭轉(zhuǎn)振動。

(2)第1階振型為拱肋橫向振動，橋面系基本無振動，說明該振型對橫向地震響應(yīng)作用比較大。第3階振型為全橋豎向振動，說明該振型主要對縱向地震響應(yīng)作用比較重要。第7階振型為扭轉(zhuǎn)振動，表明第7振型對豎向地震響應(yīng)貢獻(xiàn)最大。

(3)從前3階振型中變形，看出該類型橋梁的橫向穩(wěn)定性有點薄弱。在設(shè)計和施工時，要提高主啞鈴型鋼管混凝土拱肋的橫向剛度來保證橋梁的橫向穩(wěn)定。

6 地震反應(yīng)分析

利用Midas Civil的CQC法進(jìn)行抗震反應(yīng)譜分析，基本參數(shù)：烈度=7，場地=II類，阻尼比=0.05。該啞鈴型鋼管混凝土拱橋的E1地震反應(yīng)分析拱肋控制截面地震作用位移和內(nèi)力反應(yīng)分別在表2和表3所示。

表2 拱肋控制截面地震作用位移(mm)

表3 拱肋控制截面地震內(nèi)力

通過表2和表3的位移和內(nèi)力分析，得到：

(1)在E1地震作用下，主拱肋控制節(jié)點在3個方向的最大位移均較小，地震響應(yīng)沿橫橋向作用時拱頂最大橫向位移為46.64mm。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)規(guī)定，橋梁上部結(jié)構(gòu)最大豎向撓度允許值：拱肋不超過L/800=147.50mm，說明該啞鈴型拱肋豎向位移滿足要求。在橫向位移普遍大于縱向位移，說明橫向剛度比縱向剛度弱。

(2)該橋在拱腳位置處受力最大，對地震響應(yīng)比較大。

7 結(jié) 論

通過有限元軟件Midas Civil對該下承式啞鈴型鋼管混凝土拱橋進(jìn)行動力特性和地震響應(yīng)分析，得到以下結(jié)論：

(1)該橋的動力特性和地震響應(yīng)的位移和內(nèi)力，說明此橋橫向剛度較弱，建議在設(shè)計和施工時應(yīng)適當(dāng)加強拱肋間連接和風(fēng)撐的數(shù)量，來提高拱肋橫向剛度。

(2)啞鈴型鋼管混凝土拱橋在地震響應(yīng)作用下均處于材料彈性工作狀態(tài)，該橋梁材料強度滿足要求。

(3)該橋在地震荷載作用下，地震最大內(nèi)力均出現(xiàn)在拱腳位置，拱腳處地震響應(yīng)相對整體較大，在抗震設(shè)計中要引起注意。

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